Schulmeyer, Thomas (2005)
Mechanismen der Grenzflächenausbildung des Cu(In,Ga)Se2-Systems.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Cu(In,Ga)Se2-Solarzellen weisen den höchsten Wirkungsgrad auf, wenn etwa 30% der Indiumgitterplätze im Absorbermaterial durch Gallium ersetzt werden. Dies kann durch den erhöhten Bandabstand des Cu(In,Ga)Se2-Halbleitersystems erklärt werden. Die Bandlücke dieses Systems beträgt etwa 1,2 eV, im Gegensatz zu einem Bandabstand von etwa 1,0 eV des CuInSe2-Systems. Ein Bandabstand von 1,2 eV stellt jedoch noch nicht die optimale Anpassung an das vorgegebene Sonnenspektrum dar. Eine Erhöhung des Bandabstands durch Zulegieren von Gallium führt jedoch zu einer Sättigung der Leerlaufspannung und somit zu einer Verringerung des Wirkungsgrades. Ziel dieser Arbeit ist, den Einfluss von Grenzflächeneigenschaften auf die beobachtete Sättigung der Leerlaufspannung von Cu(In,Ga)Se2-Solarzellen zu untersuchen. Die verwendeten Cu(In,Ga)Se2-Absorberschichten wurden aus einer Produktionslinie für Solarzellen entnommen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Verfahren auf das Cu(In,Ga)Se2-System übertragen, das eine Untersuchung von solarzellenrelevanten Absorberoberflächen ermöglicht. Unterschiedlich präparierte Cu(In,Ga)Se2-Halbleiter wurden aus der Produktionslinie entnommen und mit einer Selen-Deckschicht versehen. Diese schützt die Halbleiteroberfläche nicht nur vor Kontaminationen während der Lagerung und des Transportes an Luft, vielmehr konserviert diese Schicht auch die Solarzelleneigenschaften des Absorbers. Durch eine reproduzierbare Cu(In,Ga)Se2-Präparation und einer gezielten Variation der Parameter dieses Halbleitersystems konnten die Ober- und Grenzflächeneigenschaften untereinander verglichen werden. Dies ermöglichte einen Einblick in die Mechanismen, denen alle Grenzflächenausbildungen dieses Systems zugrunde liegen. Die Untersuchung des Selbstkompensationsverhaltens des Chalkopyrit-Systems stellt einen Teil der vorliegenden Arbeit dar. Die Korrelation zwischen einer Reduktion der Kupferkonzentration an der Oberfläche und einem maximalen Abstand des Fermi-Niveaus zum Valenzbandmaximum in der Bandlücke des Absorbers, konnte im Rahmen dieser Arbeit mittels Photoelektronenspektroskopie experimentell nachgewiesen werden. Zeitabhängige Messungen der Kapazität an Solarzellen mit identisch präparierten Absorberschichten und die Simulation dieser Ergebnisse deuten ebenfalls auf einen Selbstkompensationsmechanismus in Verbindung mit einem Diffusionsprozess von Kupferatomen hin. Die Kombination von grundlagenorientierten Methoden im Ultrahochvakuum mit elektrischer Bauteilanalyse ermöglicht eine Korrelation von physikalischen Effekten von Halbleiter und Halbleitergrenzflächen mit elektrischen Eigenschaften von Solarzellen. Die Beobachtung einer sich änderten Kupferkonzentration während der Grenzflächenausbildung zu der CdS-Pufferschicht führte zu einer weiteren Studie einer kupferarmen Phase an der Ober- und Grenzfläche des Absorbers. Es konnte gezeigt werden, dass das Cu(In,Ga)Se2/CdS-System mit einem Galliumgehalt von 30% zu einer mittleren Kupferkonzentration an der Absorberoberfläche neigt, unabhängig ob die Absorberoberfläche kupferreich oder kupferarm präpariert wurde. Weiterhin neigen galliumreiche Chalkopyrit-Systeme zu einer kupferreichen Grenzfläche, unabhängig ob die Absorberoberflächen zuvor eine kupferreiche oder eine kupferarme Zusammensetzung aufwies. Die Ergebnisse dieser Arbeit führten zu einem Grenzflächenmechanismus, der in Zusammenhang mit der Sättigung der Leerlaufspannung diskutiert wird.

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